搭板加筋路基處理路橋過(guò)渡段差異沉降研究

陸文亮 江 淮

(1.上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200127； 2.上海大學(xué)土木工程系 上海 200444)

由于橋臺(tái)結(jié)構(gòu)與臺(tái)后路面存在差異沉降而使得路橋連接處形成錯(cuò)臺(tái)或顯著的縱坡變化，當(dāng)車輛高速通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生顛簸，即“橋頭跳車”現(xiàn)象。橋頭跳車不僅影響行車的舒適和行車安全，并且加速了橋臺(tái)臺(tái)背、橋頭伸縮縫及接縫路面的破壞，嚴(yán)重?fù)p害了社會(huì)效益[1-2]。

解決橋頭跳車的一個(gè)主要方法是設(shè)立橋頭搭板。橋頭搭板在路面的剛?cè)徇^(guò)渡方面起到了一定作用。對(duì)于橋頭搭板長(zhǎng)度、厚度的設(shè)置，規(guī)范未具體給出計(jì)算方法，閻妍[3]提出根據(jù)橋頭路堤填料計(jì)算破壞棱體長(zhǎng)度確定橋頭搭板長(zhǎng)度方法，既考慮了橋頭路堤的高度，也考慮了填料的內(nèi)摩擦角及臺(tái)背與填土間摩擦角的作用。丁靜聲等[4]利用有限元計(jì)算手段，計(jì)算地基模量和搭板長(zhǎng)度之間關(guān)系，為橋頭搭板的正確設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。但設(shè)立搭板后的一個(gè)問(wèn)題是由于搭板與路基銜接處的模量差異巨大，易發(fā)生差異沉降，從而會(huì)引起車輛行駛時(shí)的顛簸，即導(dǎo)致“二次跳車”現(xiàn)象的發(fā)生[5]。

設(shè)置土工格柵同樣是一項(xiàng)處理橋頭跳車的常用方法。許多學(xué)者已對(duì)格柵處理橋頭路段沉降展開(kāi)了豐富研究。馬強(qiáng)[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)新型三向格柵加筋橋頭路堤填土的有效長(zhǎng)度和作用效果進(jìn)行了分析,并利用數(shù)值模擬分析了格柵剛度和路堤填料參數(shù)對(duì)橋頭差異沉降和格柵錨固端拉力的影響；田小革[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)了土工格柵加筋處理后的路堤沉降，并運(yùn)用有限元方法對(duì)其驗(yàn)證；胡幼常[8-10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬分析了雙向格柵加筋橋頭路堤的處理效果。

目前，處理路橋過(guò)渡段差異沉降的工程技術(shù)及數(shù)值模擬主要屬于單一處理方法，少有對(duì)聯(lián)合處治方法的研究。本文結(jié)合上海市濟(jì)陽(yáng)路工程，應(yīng)用有限差分軟件FLAC3D建立三維模型，研究路橋過(guò)渡段搭板加筋路基的差異沉降。

1 工程概況

本項(xiàng)目為上海市浦東新區(qū)濟(jì)陽(yáng)路快速化改造工程。由北向南范圍為盧浦大橋引橋至閔行區(qū)界，全長(zhǎng)7.1 km。工程擬采用“高架快速路+地面道路”的斷面布置形式。根據(jù)勘察結(jié)果，橋臺(tái)接坡處土層主要為軟弱土，其土質(zhì)含水量大，孔隙比大，壓縮性高，呈流塑狀，土質(zhì)軟弱，是引起路基沉降的主要土層。故宜對(duì)橋臺(tái)接坡處一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡鼗幚怼１疚倪x取其中高架橋與道路連接處研究路面差異沉降問(wèn)題。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 計(jì)算模型

為了研究在上部荷載作用下高架路橋過(guò)渡段的差異沉降，建立了三維有限元模型，三維模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。依據(jù)工程設(shè)計(jì)，匝道與地面相接處設(shè)置落地梁，擬采用樁基礎(chǔ)，落地梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。

圖1 三維模型網(wǎng)格劃分(單位：m)

圖2 落地梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位：高程，m；尺寸，mm)

本文采取簡(jiǎn)化后的落地梁結(jié)構(gòu)作為橋頭結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型。道路路面高度為1 m，路基高度為2 m，地基土層從上到下分為：填土高度4 m，粉質(zhì)黏土2 m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土5 m，黏質(zhì)粉土2 m，淤泥質(zhì)黏土7 m，黏土2 m，幾何模型見(jiàn)圖3。搭板加筋路基示意圖見(jiàn)圖4。

圖3 幾何模型(單位：m)

圖4 搭板加筋路基示意圖

在計(jì)算過(guò)程中設(shè)定多個(gè)路面段豎向位移跟蹤點(diǎn)，以橋頭結(jié)構(gòu)左側(cè)O為起點(diǎn)，依次向右距離橋頭左側(cè)O點(diǎn)距離為：0.5，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，12，14，16，18，20，24，28，32，36，40，45，50，55，60 m，記錄沉降數(shù)值。

通過(guò)固定計(jì)算模型中橋頭結(jié)構(gòu)底部和搭板遠(yuǎn)臺(tái)段底部的豎向位移來(lái)模擬地基剛性樁的沉降控制作用。

位移邊界條件為：沿路基軸向邊界的水平方向位移與底部邊界的水平和豎向位移均被約束。

1) 在x=-15和60 m平面上采用位移邊界條件，沿X軸方向水平固定，位移為0，即u=0。

2) 在y=0和8.5 m平面上沿Y軸方向水平固定，位移為0，即v=0。

3) 在z=0平面上沿Z軸方向垂直固定，位移為0，即w=0。

2.2 計(jì)算參數(shù)及荷載參數(shù)

道路為單向雙車道，擬定車輛的兩輪間距為2 m，輪胎壓力為0.7 MPa，由于道路車流量較大，故采用條形荷載來(lái)模擬車輛荷載，車輪與地面的接觸面為矩形，寬度為0.25 m。汽車荷載分布圖見(jiàn)圖5。

圖5 汽車荷載分布圖(單位：m)

采用Geogrid結(jié)構(gòu)單元模擬土工格柵的加筋作用，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)單元材料參數(shù)

地基土層及路基土層均采用Mohr-Coulomb模型，橋頭結(jié)構(gòu)、搭板和路面結(jié)構(gòu)層由于其均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，采用彈性模型進(jìn)行計(jì)算模擬。具體材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)體單元材料參數(shù)

3 差異沉降影響因素分析

3.1 搭板長(zhǎng)度對(duì)差異沉降的影響

根據(jù)目前常用的橋頭搭板尺寸，采用3種不同的搭板長(zhǎng)度進(jìn)行路橋過(guò)渡段路面沉降的對(duì)比分析，搭板尺寸分別為：6，8，10 m，厚度均為30 cm。布置搭板前后沉降曲線圖見(jiàn)圖6。

圖6 布置搭板前后沉降曲線圖

由圖6可知，設(shè)置搭板后，由于減小了橋頭結(jié)構(gòu)與路基較大的剛度差，路橋交界處已無(wú)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。行車較為舒適，且可有效避免行車事故。

由沉降曲線圖還可看出，設(shè)置搭板可以減小路面距離橋頭結(jié)構(gòu)25 m范圍內(nèi)的絕對(duì)沉降。搭板遠(yuǎn)橋臺(tái)端路面沉降減小了2 cm左右，差異沉降較處治前減小了34%左右，減小差異沉降效果明顯。

目前，一般以容許工后沉降量為指標(biāo)來(lái)控制引道土體工后沉降量。然而，在已建高速公路中，如果以容許沉降量作為唯一控制指標(biāo)，橋頭跳車現(xiàn)象仍然會(huì)出現(xiàn)，有的還十分嚴(yán)重。對(duì)此，葉見(jiàn)曙[11]提出新控制標(biāo)準(zhǔn)，即提出橋頭引道的容許縱坡變化值控制在0.4%以內(nèi)。

故本文考慮路橋過(guò)渡段縱坡的變化情況。布置搭板前后縱坡曲線圖見(jiàn)圖7。

圖7 布置搭板前后縱坡曲線圖

由縱坡曲線圖可看出，設(shè)置搭板后路橋交界處縱坡坡差由0.85%左右降低到了0.2%，高速行駛的汽車通過(guò)時(shí)不再顛簸跳躍，避免了橋頭跳車現(xiàn)象的發(fā)生。設(shè)置搭板顯著減小了路面前20 m范圍內(nèi)的縱坡變化，沉降變化更加平緩，行車更為舒適。

需要注意的是，設(shè)置搭板后在搭板遠(yuǎn)橋臺(tái)端路面的縱坡仍較大。6 m長(zhǎng)搭板最大，約為0.4%，8 m長(zhǎng)搭板次之，10 m長(zhǎng)搭板最小，為0.35%左右。究其原因，在設(shè)置搭板后，雖然由于地基的沉降變形在橋頭形成的臺(tái)階差得到消除，但縱坡變化率越來(lái)越大，由于搭板的模量與路基存在巨大差異，在搭板與路基的銜接處會(huì)存在顯著轉(zhuǎn)折，從而引起車輛行駛的顛簸，導(dǎo)致“二次跳車”現(xiàn)象的發(fā)生。由此需考慮聯(lián)合土工格柵設(shè)置加以避免。

3.2 土工格柵層數(shù)對(duì)差異沉降的影響

采用FLAC3D軟件內(nèi)置的Geogrid結(jié)構(gòu)單元在2 m高的路基中布置遠(yuǎn)至40 m長(zhǎng)的土工格柵，每隔1 m布置1層，第一層在地基與路基交界處，第二層在路基中部，第三層在路基與路面交界處，比較格柵層數(shù)對(duì)差異沉降的影響。搭板加格柵布置形式見(jiàn)圖8。

圖8 搭板加格柵布置形式(單位：m)

搭板加格柵前后沉降曲線圖見(jiàn)圖9。從沉降曲線來(lái)看，搭板加土工格柵對(duì)搭板過(guò)渡段沉降減小效果不大，對(duì)搭板后的路面段有一定的沉降減小效果，在距橋頭結(jié)構(gòu)25 m處搭板加3層格柵相比僅加搭板減小了1 cm的沉降，路面差異沉降較僅加搭板減小了15%。

圖9 搭板加格柵前后沉降曲線圖

搭板加格柵前后縱坡曲線圖見(jiàn)圖10。從縱坡曲線來(lái)看，搭板加格柵后較僅加搭板，整體路面范圍內(nèi)縱坡波動(dòng)有所降低，路面沉降更為平緩。其中在搭板過(guò)渡段，對(duì)于其最大縱坡有一定程度的減小，對(duì)搭板造成的二次跳車現(xiàn)象有所抑制。

圖10 搭板加格柵前后縱坡曲線圖

對(duì)于土工格柵層數(shù)的影響，可以看出，對(duì)于減小路面沉降及最大縱坡，布置土工格柵的效果主要體現(xiàn)在第一層、路基與地基交界處。即土工格柵的效用在一定程度上受到層數(shù)的限制。

3.3 土工格柵模量對(duì)差異沉降的影響

在不同土工格柵模量，同樣使用3層格柵加筋的情況下，對(duì)路橋過(guò)渡段搭板加筋路基的路面沉降量進(jìn)行了計(jì)算，不同格柵模量沉降曲線圖見(jiàn)圖11。

圖11 不同格柵模量沉降曲線圖

由圖11可看出，增大土工格柵的模量可以減小路橋過(guò)渡段一定范圍內(nèi)的路面沉降，格柵模量的增大對(duì)減小沉降的效果主要體現(xiàn)在路橋過(guò)渡段20～30 m處，對(duì)橋頭路段作用不大。由于格柵模量的增高，路基內(nèi)的加筋效用也隨之增大，道路承載力提高，從而減小了路面沉降。在土工格柵模量從20 GPa提升至35 GPa時(shí)，較5 GPa提升至20 GPa時(shí)對(duì)路面沉降減小的效果增加幅度減小，所以合理選擇土工格柵模量在實(shí)際工程中是有必要的。

4 結(jié)論

本文利用FLAC3D軟件分析了路橋過(guò)渡段搭板加筋路基的差異沉降。對(duì)比分析搭板長(zhǎng)度與土工格柵層數(shù)、模量對(duì)路橋過(guò)渡段差異沉降影響，主要得到以下結(jié)論。

1) 設(shè)置搭板可有效消除路橋連接處的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，減小路面差異沉降，但易導(dǎo)致二次跳車現(xiàn)象的發(fā)生，需考慮聯(lián)合設(shè)置土工格柵加以避免。

2) 搭板加筋路基方法增強(qiáng)了路基承載力，可進(jìn)一步減小路面沉降，降低整體路面范圍內(nèi)縱坡波動(dòng)，路面沉降更為平緩。并且由于在搭板遠(yuǎn)端持續(xù)鋪設(shè)了土工格柵，使得搭板與路基銜接處的模量差異有所降低，從而在一定程度上抑制了“二次跳車”現(xiàn)象的發(fā)生。

3) 土工格柵的效果與格柵層數(shù)與模量相關(guān)，格柵減小路面沉降與最大縱坡的效果主要體現(xiàn)在路基與地基交界處，格柵模量的增大可以減小路面沉降。